多囊卵巢综合征的遗传学研究进展

李春竹,邢川综述 何冰审校

多囊卵巢综合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)，也称Stein-Leventhal综合征，是最常见的生殖内分泌代谢疾病，全球患病率为5%～15%[1]。 目前PCOS的诊断使用鹿特丹共识标准，需至少满足以下2项：高雄激素血症、少经或闭经和多囊卵巢样改变。PCOS患者常伴发肥胖、IR、血脂紊乱及促性腺激素分泌异常等[2]。PCOS被认为是一种病因未明的多基因遗传病[3]，近来研究者主要通过候选基因关联分析法和全基因组关联研究(genome-wide association study，GWAS)来寻找PCOS 关键的致病基因，结合基因路径研究分析基因作用的分子机制。

1 多囊卵巢综合征的基因组学

1.1 候选基因关联研究 候选基因关联研究是基于已有研究结果假设某段基因序列的变异是影响疾病表型变异的主基因，借助基因扩增等实验技术，采用病例对照设计方法来比较病例组与对照组候选基因的组间差异，以此来确定候选基因与表型变异是否存在关联。借此筛选出的重要基因，包括参与体质量和能量调节的基因如与脂肪质量和肥胖相关基因FTO和 MC4R基因；参与雄激素生物合成转运、作用和调节的AR基因，代谢酶CYP基因如CYP17、CYP11A、CYP19、CYP21基因，SHBG基因，17β羟基脱氢酶HSD17β基因，5-α还原酶基因,FSHR基因，LHCGR基因;胰岛素抵抗有关基因：胰岛素基因，胰岛素受体基因，胰岛素受体底物基因，CAPN10基因,PPAR基因；慢性炎性反应相关基因如TNF-α基因和IL基因等[4]。

1.2 全基因组关联研究(GWAS) GWAS被认为是阐明疾病复杂遗传易感机制的强有力工具，与候选基因关联分析策略明显不同，GWAS 是应用人类全基因组范围内的单核苷酸基因多态性SNPs 为标记，在大样本量的研究对象中筛选与疾病或性状相关的位点，然后在独立的人群中进行验证，最终确定关键性的 SNP 位点[5]。截至2018年，中国、韩国、欧洲通过GWAS共确定了如下与PCOS 具有显著关联的易感基因及SNP位点：DENND1A(rs2479106)，INSR(rs2059807)，YAP1(rs1894116、rs11225154)，C9orf3(rs4385527)，RAB5B/SUOX(rs705702)，HMGA2(rs2272046)，TOX3(rs4784165)，SUMO1P1/ZNF217(rs6022786)，THADA(rs13429458)，FSHR(rs2268361、rs2349415)，LHCGR/GTF2A1L(rs13405728)，GATA4/NEIL2(rs804279)，ERBB4(rs1351592)，KCNA4/FSHB(rs11031006)，RAD50(rs13164856)，KRR1(rs1275468)，KHDRBS3(rs10505648)，PLGRKT(rs10739076), ZBTB16(rs1784692 )，MAPRE1(rs853854)。多个基因已在不同区域的PCOS患者人群中得到了验证，这些相关基因与胰岛素信号通路、细胞增殖凋亡、组织器官大小、性激素功能、钙信号通路和细胞内吞等有关，为深入研究 PCOS 的发病机制奠定了基础。

1.3 基因路径分析法 大多数通过GWAS识别的SNPs缺乏功能相关性，存在与某种疾病显著相关的SNPs可能由于效应小而不能被识别的缺陷。基于路径的基因分析法将GWAS结果与生物路径中的基因相结合，根据所有基因统计学意义的大小对所有基因进行排序，赋予潜在与疾病相关的基因更大效应，能更好地检测出可能被遗漏的基因。Shim等[6]采用基因路径分析法发现PCOS涉及的10种生物路径中与排卵和胰岛素分泌有关的途径，包括卵母细胞减数分裂途径，乙酰胆碱和游离脂肪酸调节胰岛素分泌途径等，这些均是与PCOS相关的重要途径。此外，INS、GNAQ、STXBP1、PLCB3、PLCB2、SMC3和PLCZ1也是在生物学途径中观察到的重要基因。

2 多囊卵巢综合征的表观基因组学

虽然PCOS的基因组研究确定了许多PCOS的关键易感基因，但用来解释 PCOS 病因和临床表现的复杂性仍十分困难，大量证据说明环境因素和遗传因素对 PCOS 病因的影响，因此表观遗传学在 PCOS 发生发展中的作用日益受到重视。表观遗传(epigenetic)是指基于所研究基因的核苷酸序列没有改变，其所对应序列的修饰发生改变所致基因表达水平的变化，主要包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)的改变。

2.1 多囊卵巢综合征的DNA甲基化 DNA 甲基化被称为酶促反应，是在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,DNMT) 的作用下胞嘧啶嘧啶环 5’位置的碳上添加甲基，然后在鸟嘌呤上添加 CpG 二核苷酸的过程。 DNA 甲基化的改变可能促进了涉及炎性反应，激素合成的信号传导，以及葡萄糖和脂质代谢基因的失调，对疾病的发病机制造成影响。

2.1.1 外周血及脐带血DNA甲基化：PCOS患者全血中存在大量差异甲基化的基因组位点，这些位点及其丰富的功能途径与不同的临床特征(催乳素、雌二醇、孕酮和月经周期)显著相关[7]。Lambertini等[8]通过检测脐带血的DNA甲基化水平及表达情况来探讨雄激素水平正常的PCOS患者宫内环境是否会影响人类胎儿表观遗传基因。结果发现调节激素分泌的雌激素受体α基因，控制线粒体活动的APP和PARK2基因，参与葡萄糖代谢的INS基因均发生不同程度的甲基化。说明DNA甲基化参加了PCOS糖毒性和全身性炎性反应状态的诱导。

2.1.2 卵巢DNA甲基化：Sagvekar等[9]对PCOS患者卵丘GC进行DNA甲基组谱分析，发现PCOS中共有6 486个CpG位点存在不同程度的甲基化，涉及3 840个介导炎性反应的相关基因。它们主要与高雄激素血症、黄体减少和卵母细胞发育缺陷有关。然而也有学者观察到卵丘颗粒细胞(CGCs)仅存在单一CpG位点(CpG-4)持续的低甲基化[10]，CpG-4的低甲基化与PCOS的易感性密切相关。Jiang等[11]观察到GC中YAP1启动子的低甲基化促进了PCOS易感基因YAP1的表达。Pan等[12]发现PCOS患者GC中与脂质和类固醇合成相关的几个基因启动子呈低甲基化，这可能部分解释了PCOS高雄激素血症的机制。

2.1.3 子宫内膜DNA甲基化：我国研究者对80例PCOS患者按是否合并胰岛素抵抗分为IR-PCOS和NIR-PCOS组，每组各40例，比较2组患者子宫内膜组织胰岛素受体INSR基因甲基化水平和在DNA甲基化过程中具有重要作用的DNMT表达水平[13]。结果2组均未检出INSR基因完全甲基化患者，但IR-PCOS组部分甲基化检出率高于NIR-PCOS组。IR-PCOS组 DNMT3b表达水平显著高于NIR-PCOS组。DNMT3b主要作用是催化DNA甲基化新生位点，在肿瘤异常甲基化的发病机制中起到重要作用。这一结果说明PCOS属于表观遗传学疾病，且合并IR的PCOS患者是子宫内膜癌的高发人群[13]。

2.1.4 骨骼肌组织DNA甲基化：Nilsson等[14]对17例PCOS女性和14例对照组女性的骨骼肌组织进行DNA分析，结果显示对骨骼肌功能和代谢中有影响的基因(如 MAP2K6 和COL1A1)表达差异最大且与 DNA 甲基化有关。雄激素可下调 COL1A1 和MAP2K6 的表达水平，其中COL1A1的表达与脂肪细胞大小、C肽水平和HOMA-IR指数呈负相关。

2.1.5 脂肪组织DNA甲基化：Kokosar等[15]发现PCOS女性皮下脂肪组织中的全基因组 mRNA 表达发生了改变，并且几个基因与IR、脂肪细胞大小和高雄激素血症相关。研究还发现 mRNA 表达的下降与 DNA 甲基化的增加平行，表明 DNA 甲基化会降低转录活性。Jones等[16]观察到PCOS脂肪组织LHCGR基因位点的甲基化减少，INSR基因位点的甲基化增加，说明DNA甲基化对代谢有影响。而低频电刺激针灸可改变 PCOS 妇女脂肪组织的表观遗传和转录水平，可促进PCOS妇女代谢功能障碍的恢复[17]。

2.1.6 下丘脑DNA甲基化：有研究发现PCOS大鼠的DNA甲基化水平和DNMTs表达均增加，低频电针刺激可降低PCOS大鼠DNA甲基化水平和DNMT3b的表达[18]。提示下丘脑DNA甲基化可能与PCOS的发生发展有关，电针对PCOS大鼠下丘脑DNA甲基化有影响。

2.2 多囊卵巢综合征的组蛋白修饰 组蛋白修饰与DNA甲基化存在内在联系。涉及PCOS的组蛋白修饰多为组蛋白甲基化和乙酰化。Guo等[19]发现PCOS绵羊(产前经睾酮处理)的卵泡膜中组蛋白H3 Lys4位点(H3K4)二甲基化增加，GC中H3K9三甲基化增加，Eini等[20]在用脱氢睾酮处理的PCOS小鼠卵母细胞中H3K9的甲基化和二甲基化显著减少，这与H4K12乙酰化的增加有关，最终可能影响PCOS卵母细胞的成熟。虽然国内外报道的研究结果有限，但可以证明组蛋白修饰参与PCOS的卵巢功能障碍。

2.3 多囊卵巢综合征非编码RNA(ncRNA)变化

2.3.1 长链非编码RNA(lncRNA)：lncRNA是一类长度超过200个核苷酸的不编码蛋白质的RNA。有临床研究证据表明，lncRNA参与了PCOS的发生发展。在PCOS中高表达的lncRNA有lncRNA H19、BANCR、CTBP1-AS、lncRNA CD36-005、lncRNA甾体激素受体RNA激活物，低表达的有生长特异抑制物5、端粒RNA等。

2.3.2 微小RNA(microRNA,miRNA)：miRNA是内源产生的短链ncRNA，由21～25个核苷酸组成，广泛存在于不同的组织环境中。miRNA 的异常表达与多种疾病有关，包括糖尿病、子宫内膜异位症和癌症等。在生物医学和生物技术应用中，miRNA 可能被用作一类新的生物标志物或治疗靶标。近期报道PCOS女性的卵巢、血清中均能检测到miRNA的异常表达，主要包括miR-324-3p、miR-204、miR-92a、miR-92b、miR-145、miR-182、miR-601、miR-93、miR-21、miR-320、miR-23a、miR-320、miR-130b-3p等，miRNA的异常表达对PCOS 的发生和发展至关重要。

2.3.3 lncRNA-miRNA-基因网络：PWRN2是一种ncRNA，与PCOS患者卵母细胞核成熟有关。最近研究发现，PWRN2与miR-92b-3p 和TMEM120B基因存在关联。TMEM120B 是一种脂肪特异性核被膜跨膜蛋白，可能在脂肪生成中起重要作用。在 PCOS 中，上调的 TMEM120B 将促进脂肪细胞分化/代谢并诱导肥胖。研究表明，严重肥胖与受精卵母细胞中纺锤体异常有关[21]。TMEM120B基因被证明是miR-92b-3p的靶基因。PWRN2 可以通过竞争性地结合miR-92b-3p，减少 miR-92b-3p 与 TMEM120B 基因结合靶点的可用性以调节基因TMEM120B表达，最终引起 PCOS卵母细胞发育的代谢异常。

3 多囊卵巢综合征的微生物组学

肠道微生物区系通过影响生理、新陈代谢、营养和免疫功能在人体中发挥重要作用。PCOS妇女肠道微生物群落的总体细菌物种丰富度(α多样性)显著降低，细菌类群的丰度也发生了变化[22]。合并IR的PCOS患者肠道微生物失调更明显。Zeng等[23]采用16S rRNA基因测序比较NIR-PCOS和IR-PCOS患者肠道微生物组成，发现IR-PCOS中类杆菌科最多，普氏杆菌科显著减少。胰岛素抵抗、性激素和炎性反应等临床参数水平的升高与类杆菌科的丰度呈正相关，而与普氏杆菌科的丰度呈负相关，由此提示肠道菌群失调的差异应在PCOS患者的临床治疗和未来的药物开发中加以考虑。PCOS肠道菌群的改变与雄激素过多有关[22]。PCOS母体内雄激素过多会影响子代的肠道微生物群，雄激素过多与肠道微生物组多样性之间存在显著相关性 ，而性激素的改变也可能通过调节肠道屏障的完整性而间接改变免疫反应。肠屏障完整性的降低与革兰阴性细菌渗透进入循环及脂多糖(LPS)激活外周炎性反应有关。与健康女性相比，患有 PCOS 的女性血清中肠屏障功能障碍的标志物zonulin和 LPS 结合蛋白的水平均有增加。然而肠道微生物群与PCOS相互作用的机制仍不清楚。考虑到性激素对PCOS肠道菌群的影响，未来应研究雄激素正常的PCOS患者肠道微生物组的组成和功能变化，开展基因组学和代谢组学研究，以确认性激素与肠道微生物组的关系，明确是否可以通过操纵肠道微生物组来治疗 PCOS，并确定潜在候选药物。

4 总结与展望

PCOS是目前严重困扰全世界女性的生殖内分泌代谢疾病，为了更好地解释PCOS的发病机制，筛选出与疾病相关的重要基因，然而不能完全解释这些基因的功能，且基因筛选方法仍有无法避免的局限性，从基因组层面上探求疾病病因困难重重。表观遗传学研究发现了PCOS不同细胞组织存在DNA甲基化、组蛋白修饰特征及大量非编码RNA数量上的改变，并与PCOS高雄激素血症及胰岛素抵抗密切相关，有助于进一步理解PCOS的发病机理。PCOS的微生物组学是一个崭新的领域，它是人类基因组计划的延伸，微生物菌群携带的庞大的基因构成人体内第二个基因组，它与人类遗传而来的基因组相互协调，保证人类健康。因此调节PCOS患者的微生物菌群对于疾病的治疗也相当重要。